KÝMYASAL TERMODÝNAMÝK VE BÝYOENERJETÝKLER

KİMYASAL TERMODİNAMİK VE BİYOENERJETİKLER
Biyokimyasal olarak önemli reaksiyon türleri
Canlı hücredeki reaksiyonların çoğu, beş genel kategoriden birine uyar: 1) Fonksiyonel grup
transferi 2) Oksidasyon ve redüksiyon 3) Bir veya daha fazla karbon atomu çevresindeki bağ
yapısının yeniden düzenlenmesi 4) CC bağlarını oluşturan veya yıkan reaksiyonlar. 5) Bir
molekül su çıkışıyla iki molekülün kondensasyonu reaksiyonları.
Biyokimyasal reaksiyonların mekanizması, temel olarak diğer kimyasal reaksiyonlardan farklı
değildir. Birçok biyokimyasal reaksiyon, nükleofiller ile elektrofiller arasındaki etkileşimi
kapsar. Nükleofiller, elektrondan zengin ve bunları verme yeteneğinde olan atom veya atom
gruplarıdır; oksijen, azot, kükürt ve bunları içeren fonksiyonel gruplar önemli biyolojik
nükleofillerdir. Elektrofiller, elektronları eksik ve elektron elde etmeye çalışan atom veya
1
atom gruplarıdır; pozitif yüklü hidrojen atomları yani protonlar ve pozitif yüklü metaller,
hücrelerde sıklıkla elektrofil olarak etki ederler. Bir karbon atomu, bağlarına ve kendisini
saran fonksiyonel gruplara bağlı olarak ya nükleofil ya da elektrofil merkez olarak
davranabilir.
Genel olarak biyokimyasal reaksiyonlarda, nükleofiller ile elektrofiller arasındaki
etkileşimden kimyasal bağlar oluşur veya mevcut bağlar yıkılarak yenileri oluşturulur. İki
atom arasında kimyasal bağların oluşması veya mevcut bağların yıkılması, olaya katılan
maddelerin termodinamik özellikler denen bazı özelliklerinde de değişmelere neden olur.
Bir maddenin termodinamik özellikleri; enerji (E), entalpi (H), entropi (S) ve serbest enerjidir
(G). Bu özellikler ve aralarındaki ilişkiler, termodinamik adı verilen ayrı bir bilim dalında
incelenir.
Termodinamik tanımlar
Termodinamikte bir organizma, bir hücre veya birbiri ile reaksiyona giren iki madde, sistem
olarak tanımlanır. Bir sistem, bir çevre içinde yer almaktadır. Sistem ve çevrenin ikisi birlikte
de evreni oluştururlar:
Enerji (E)
Enerji (E), iş yapma kabiliyetidir; birimi jouledür (J); kalori (cal) de enerji birimi olarak
kullanılır (1 cal=4,187 J). Bir molekülün enerjisi, nükleus içi enerjileri ve moleküler
elektronik, translasyonal, rotasyonal, vibrasyonal enerjileri kapsar ki bunu ölçmek ve
değerlendirmek güçtür. Kimyasal reaksiyonlar sırasında reaksiyona katılan maddeler
(reaktantlar, substratlar) ve reaksiyon sonunda oluşan maddelerin (ürünler) enerjilerinde
değişimler olmaktadır. Reaktantların ve ürünlerin mutlak enerjileri yerine kısaca ∆E olarak
ifade edilen enerji değişimini değerlendirmek daha kolaydır.
Entalpi (H)
Entalpi (H), enerji ile ilişkili bir durum fonksiyonudur. Entalpi değişikliği (∆H) de enerji
değişikliği (∆E) ile ilişkilidir. Sistemin basıncı (P) ve volümünün (V) ürünlerde oluşturduğu
değişiklik ∆(PV) olarak ifade edilirse,
∆H = ∆E + ∆(PV)
Bir reaksiyon sabit basınç altında gerçekleşir ve sistemin volüm artışı veya volüm
azalmasından başka iş yapılmazsa ∆H, çevreden alınan veya çevreye verilen ısı miktarıdır.
∆H pozitif (+) ise yani sistem çevreden ısı alıyorsa, reaksiyon endotermik reaksiyondur; ∆H
negatif (−) ise yani sistem çevreye ısı yayıyorsa, reaksiyon ekzotermik reaksiyondur.
2
Entropi (S)
Entropi (S) kimyasal bir sistemin komponentlerinin rasgelelik veya düzensizliğidir. Sistemin
düzensizliğinde herhangi bir değişiklik entropi değişikliği (∆S) olarak ifade edilir. Sistemin
düzensizliğinin artması veya düzenliliğin azalması durumunda ∆S’nin değeri pozitifdir (+).
Sistemin düzensizliğinin azalması veya düzenliliğin artması durumunda ise ∆S’nin değeri
negatifdir (−).
Serbest enerji (G)
Serbest enerji (G) sistemin iş yapmak için kullanılabilir enerjisidir. Sistemin serbest
enerjisinde değişiklik bir iş yapılmasıyla birlikte olur. Bu iş kimyasal iş veya kimyasal enerji
şeklinde olabilir. Serbest enerji değişikliği de ∆G sembolü ile ifade edilir. Gibbs serbest
enerjisi olarak da bilinen serbest enerji, entalpi (H) ve entropinin (S) bir fonksiyonu olarak
ifade edilebilir. T mutlak sıcaklık (oK) olduğuna göre:
G = H − T⋅S
∆G = ∆H − T⋅∆S
Biyolojik olmayan sistemler ısı enerjisini iş yapmada kullanabilirken biyolojik sistemler
aslında izotermiktirler ve yaşamlarını sürdürebilmek için kimyasal enerjiyi kullanırlar.
Canlılarda biyokimyasal olayların devamlılığının sağlanabilmesi için enerji gereklidir ve bu
enerji uygun yakıt moleküllerinden sağlanmaktadır. Organizmanın yiyeceklerden bu enerjiyi
elde etmesi, normal beslenme ve metabolizmayı anlamaya temel oluşturur. Bazı malnütrisyon
tipleri enerji dengesizliği (marasmus) ile ilişkilidir ve mevcut enerji depoları boşaldığında
açlıkta ölüm gerçekleşir. Fazla enerjinin depolanması şişmanlık ile sonuçlanır ki bu durum
batı toplumlarının sık rastlanılan bir hastalığıdır. Enerjinin salınım hızı, metabolik hız ile
ölçülür ve memelilerde tiroit hormonları ile kontrol edilir ki tiroit işlevlerinin bozulması
hastalıklara neden olmaktadır.
Biyokimyasal reaksiyonlara eşlik eden enerji değişimleri biyokimyasal termodinamikler veya
biyoenerjetikler yardımıyla incelenir. Böylece bazı reaksiyonlar gerçekleşebilirken
diğerlerinin neden gerçekleşmediğini açıklayan temel prensipler ortaya çıkar.
Canlılarda enerji dönüşümü ve bu dönüşümün gerçekleşmesini sağlayan biyokimyasal
olayların tümü de biyoenerjetikler olarak adlandırılmaktadır. Bu bağlamda biyolojik
3
sistemlerde enerjinin açığa çıkması, depolanması ve kullanılmasında biyoenerjetikler rol
oynamaktadır.
Termodinamiğin birinci kanunu
Bir sistemin enerjisinde herhangi bir değişiklik çevrede eşit ve zıt bir değişikliği gerektirir.
“Evrendeki total enerji miktarı sabittir.”
Enerji bir şekilden başka bir şekle dönüşebilir. Örneğin bir molekülün kimyasal enerjisi ısı,
elektrik veya mekanik enerji şekline dönüşebilir. Fakat evrenin bir bölümündeki enerji
değişikliği bir başka bölümdeki eşit ve zıt bir değişiklikle birlikte olur.
Termodinamiğin ikinci kanunu
Kendiliğinden gerçekleşen herhangi bir süreçte sistem ve çevrenin total entropisi artar.
“Evren kaçınılmaz olarak düzenli durumdan daha düzensiz duruma gider.”
Bir sistem en düşük entalpi ve en yüksek entropiye sahip olmak eğilimindedir.
Standart serbest enerji değişikliği
Bir kimyasal reaksiyon denklemi, reaksiyona giren maddeler veya reaktantlar A ve B,
reaksiyon sonunda oluşan maddeler veya ürünler C ve D olmak üzere genellikle şu şekilde
yazılabilir:
aA + bB
cC +dD
∆G
Bu denklemde a, b, c, ve d, sırasıyla A, B, C ve D’nin mol miktarları, ∆G de reaksiyon
sırasındaki serbest enerji değişikliğidir: ∆G = Gson durum − Gbaşlangıç durumu
Bir sistemin en düşük entalpi ve en yüksek entropiye sahip olmak eğilimi nedeniyle, ∆G
negatif (−) ise reaksiyon ürünlere doğru (sağa doğru) spontan olarak gerçekleşir. ∆G sıfır ise
sistem dengededir. ∆G pozitif (+) ise reaksiyon ürünlere doğru spontan olarak
gerçekleşmeyecektir. Serbest enerji değişikliği (∆G) bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden
gerçekleşip gerçekleşmeyeceği hakkında en yararlı bilgiyi sağlar. Serbest enerji değişikliği
için ∆G = ∆H − T⋅∆S eşitliğini bildiğimize göre, bir biyokimyasal tepkimenin gerçekleşme
olasılığı ve boyutunu entalpi (H) ve entropi (S) belirlemektedir.
Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin toplam serbest enerjisi
reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden küçük ise ∆G negatifdir (∆G<0);
reaksiyon ekzergonik’tir. Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan
ürünlerin toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden
büyük ise ∆G pozitifdir (∆G>0); reaksiyon endergonik’tir. Sabit sıcaklık ve basınç altında
kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin
toplam serbest enerjisine eşit ise ∆G sıfırdır (∆G=0); sistem dengededir, sistemde herhangi
bir değişiklik olmamaktadır:
4
Dengeye doğru spontan olarak ilerleyen herhangi bir reaksiyon için negatif (−) olan serbest
enerji değişikliği (∆G), reaksiyon ilerlerken gittikçe daha az negatif olur; reaksiyon tarafından
hiç bir iş yapılamayacağı denge noktasında da sıfır olur. Serbest enerji değişikliği (∆G ), bir
reaksiyonu denge durumuna itici güç olarak etkilidir.
Kimyasal reaksiyonlar için 298oK (25oC) sıcaklık, 1 atmosfer basınç, pH=0 ([H+]=1M) ve her
komponent için 1 M konsantrasyon şartları, standart şartlar olarak belirlenmiştir. Bir
reaksiyon için standart şartlar altında serbest enerji değişikliği de standart serbest enerji
değişikliği olarak tanımlanır ve bu, ∆Go sembolü ile gösterilir.
Yukarıda denklemi yazılı olan bir reaksiyon için serbest enerji değişikliği (∆G) ile standart
serbest enerji değişikliği (∆Go) arasında şu şekilde bir bağıntı bulunmuştur:
Bu eşitlikte R, gaz sabiti (25oC=298oK için yaklaşık 8,315 J/mol) ; T, mutlak sıcaklıktır (oK).
Reaksiyon dengeye ulaştığında,
olacaktır ki burada Keq, reaksiyon için denge sabitidir. Dengede ∆G=0 olduğunu bildiğimize
göre, standart serbest enerji değişikliği (∆Go) için de
∆Go = −RT ln Keq
∆Go = −2,303RT log Keq
eşitliği bulunur.
Biyokimyasal reaksiyonların çoğu, pH=7’ye yakın olacak şekilde iyi tamponlanmış sulu
çözeltilerde meydana gelir; hem pH, hem de suyun konsantrasyonu sabit kalır. Bu nedenle
biyokimyacılar, hesaplamaların uygunluğu için biraz farklı bir standart durum belirlerler.
Biyokimyacılar tarafından belirlenen standart durumda pH=7 ([H+]=10−7M) ve suyun
konsantrasyonu 55,5 M’dır. Biyokimyasal standart duruma dayanan fiziksel değerler de
kimyacılar ve fizikçiler tarafından kullanılanlardan ayırtetmek için üs işareti ile yazılırlar.
Örneğin, biyokimyasal standart duruma dayanan standart serbest enerji değişikliği, ∆Goi
şeklinde gösterilir; reaksiyonun denge sabiti de Kieq şeklinde gösterilir.
5
Bir reaksiyon için ∆Goi pozitif (+) olsa bile ∆G negatif (−) ise, reaksiyon ürünlere doğru
eşitliğine
gerçekleşebilir.
göre
bu
durum,
değeri negatif (−) ise ve ∆Goi değerinden daha büyük bir
mutlak değere sahipse mümkündür.
∆G değeri negatif (−) ve büyük olan reaksiyonlar, termodinamik olarak elverişli reaksiyonlar
olarak tanımlanırlar; bu reaksiyonlar, ürünlere doğru (sağa doğru) spontan olarak
gerçekleşirler. Yine de termodinamik olarak elverişli bazı reaksiyonlar, ölçülebilecek hızda
gerçekleşmez. Örneğin yakacak odun, yanma suretiyle, termodinamik olarak çok elverişli bir
reaksiyonda CO2 ve H2O’ya dönüştürülebilir. Buna rağmen yakacak odun, yıllarca stabildir;
tutuşması yani yanma reaksiyonunun başlaması için aktivasyon enerjisi diye tanımlanan bir
miktar enerji gereklidir.
Standart serbest enerji değişikliklerinin toplanabilirliği
A↔B ve B↔C gibi art arda gelen iki kimyasal reaksiyonun her biri kendi denge sabitine ve
karakteristik standart serbest enerji değişikliğine sahiptir:
∆GoiA→B
∆GoiB→C
A↔B
B↔C
Art arda olan bu iki reaksiyon sonunda A reaktantından (substrat) C ürünü oluştuğundan, B
iptal edilir ve toplam reaksiyon A↔C şeklinde yazılabilir; bu reaksiyonun da kendi denge
sabiti ve standart serbest enerji değişikliği vardır:
∆GoiA→C
A↔C
A↔C toplu reaksiyonu için ∆GoiA→C standart serbest enerji değişikliği, iki alt basamak
reaksiyonun standart serbest enerji değişikliklerinin toplamına eşittir:
∆GoiA→C = ∆GoiA→B + ∆GoiB→C
Buna göre tüm reaksiyonların denklemle gösterilişi şu şekilde olur:
6
∆GoiA→B
∆GoiB→C
A↔B
B↔C

A↔C
∆GoiA→C= ∆GoiA→B + ∆GoiB→C
Standart serbest enerji değişikliklerinin toplanabilme özelliği, termodinamik olarak elverişsiz
(∆Goi pozitif; endergonik) bir reaksiyonun yüksek olarak ekzergonik bir reaksiyona ortak bir
ara madde vasıtasıyla bağlanarak ileri yönde yürüyebilmesini açıklar. Örneğin; Glukoz-6fosfat sentezi, birçok organizma tarafından glukozun kullanılmasında ilk basamaktır:
Glukoz + Pi →Glukoz-6-fosfat + H2O
∆Goi= 13, 8 kJ/mol
reaksiyonunda ∆Goi>0 olması, standart şartlarda, bu reaksiyonun endergonik olduğunu,
yazıldığı yönde kendiliğinden ilerleyemeyeceğini belirtir.
Bir başka hücresel reaksiyon olan adenozin trifosfatın (ATP) adenozin difosfat (ADP) ve
inorganik fosfata (Pi) hidrolizi, çok ekzergoniktir:
∆Goi= −30, 5 kJ/mol
ATP + H2O → ADP + Pi
Biri endergonik diğeri ekzergonik olan bu iki reaksiyon, Pi ve H2O ortak ara maddelerini
birlikte kullanırlar ve art arda gelen reaksiyonlar olarak ifade edilebilirler; toplam reaksiyonun
standart serbest enerji değişikliği, art arda gelen iki reaksiyonun serbest enerji
değişikliklerinin cebirsel toplamı kadardır:
Glukoz + Pi →Glukoz-6-fosfat + H2O
∆Goi= 13, 8 kJ/mol
∆Goi= −30, 5 kJ/mol
ATP + H2O → ADP + Pi
 
Glukoz + ATP →Glukoz-6-fosfat + ADP ∆Goi= −16, 7 kJ/mol
Toplam reaksiyon ekzergoniktir; ATP’nin bağlarında depolanmış olan enerji, glukoz ve
fosfattan oluşumu endergonik olan Glukoz-6-fosfatın sentezini sürdürmek için
kullanılabilmektedir.
Hücrelerde Glukoz-6-fosfatın ATP’den fosfat transferi vasıtasıyla oluşmasının yolu, yukarıda
anlatılan art arda gelen reaksiyonlar gibi değildir; fakat net sonuç, toplam reaksiyonun
aynısıdır. Termodinamik hesaplamalarda önemli olan, başlangıç ve son durumlardır;
bunların arasındaki yolun biçimi önemli değildir.
Glukozdan glukoz-6-fosfatın oluşmasındaki gibi bir strateji, bütün canlı hücreler tarafından,
metabolik ara ürünler ve hücresel komponentlerin sentezinde kullanılır. Bellidir ki bu strateji,
hücrede ATP gibi bileşikler devamlı olarak varsa işler.
ATP ve fosfat grubu transferi
Genellikle yakıt moleküllerinin parçalanması veya yıkılımının olduğu ekzergonik tepkimeler
katabolizma olarak adlandırılmaktadır. Yeni bileşiklerin yapıldığı sentez tepkimeleri ise
anabolizma olarak adlandırılmaktadır. Anabolik ve katabolik olaylar birlikte metabolizmayı
oluşturmaktadırlar.
Bütün canlılarda ekzergonik ve endergonik olaylar arasında biyolojik enerjinin taşınmasında,
yüksek enerjili fosfat bileşiği olan adenozin trifosfat (ATP) molekülü rol oynamaktadır.
7
Heterotrofik hücreler, besleyici moleküllerin yıkılması vasıtasıyla bir kimyasal formdan
serbest enerji elde ederler ve bu enerjiyi, ADP ile Pi’tan ATP yapmak için kullanırlar. ADP ve
Pi’tan ATP oluşumu, fosforilasyon olayıdır. Mitokondride gerçekleşen oksidatif fosforilasyon
için gerekli serbest enerji, solunum zincirinde elektronların moleküler oksijene aktarılması
sırasında sağlanmaktadır. ADP ile Pi’tan oluşturulan ATP, daha sonra kimyasal enerjisinin
bir kısmını metabolik ara maddeler ve küçük önmaddelerden makromoleküllerin sentezi,
konsantrasyon gradientine karşı membranların bir tarafından diğer tarafına maddelerin
taşınması ve mekanik hareket gibi endergonik süreçler için bağışlar. ATP’den bu enerji
bağışı, genellikle ATP’nin ADP ve Pi’ta veya AMP ile 2Pi’ta dönüşümü ile sonuçlanarak
yürüyen reaksiyonda ATP’nin kovalent katılımını gerektirir.
ATP’nin hidrolizi ile ilişkili büyük serbest enerji değişikliği için kimyasal temel, şu şekilde
özetlenebilir:
8
ATP, hidrolizi yüksek derecede ekzergonik olduğu halde, pH=7’de nonenzimatik yıkılmaya
karşı kinetik olarak stabildir; çünkü, ATP’nin hidrolizi için aktivasyon enerjisi nispeten
yüksektir. Fosforik asit anhidrit bağlarının hızlı yıkılımı, yalnızca bir enzim tarafından
katalizlendiğinde gerçekleşir.
ATP’nin hidrolizi için standart serbest enerji değişikliği (∆Goi) −30,5kJ/mol olduğu halde,
canlı hücrelerde ATP’nin hidrolizinin gerçek serbest enerji değişikliği çok farklıdır. Bunun
nedeni, canlı hücrelerdeki ATP, ADP ve Pi konsantrasyonlarının aynı olmaması ve standart
1,0 M değerinden çok düşük olmasıdır:
Bundan başka sitozol, ATP ve ADP’ye bağlı Mg2+ içerir:
9
Fosforil vericisi olarak ATP’nin katıldığı çoğu enzimatik reaksiyonda doğru substrat,
MgATP2−dir ve ilgili standart serbest enerji değişikliği (∆Goi), MgATP2−’in hidrolizi içindir.
Sağlam hücrelerde ATP’nin hidrolizi için serbest enerji değişikliği, genellikle ∆Gp şeklinde
gösterilir; ∆Goi’den daha çok negatiftir (çoğu hücrede −50kJ/mol ile −60kJ/mol arasındadır);
sıklıkla fosforilasyon potansiyeli olarak adlandırılır. ATP, basit hidroliz yoluyla değil, grup
transferi yoluyla enerji sağlar.
Bir reaksiyon için ATP’nin katkısı, sıklıkla tek basamaklı olarak gösterilir; fakat hemen her
zaman iki basamaklı bir süreçtir:
Yüksek enerjili bileşikler
Canlı organizmada, hidroliz standart serbest enerji değişimi yüksek, ATP’den başka bileşikler
de vardır. Bu bileşikler, ya ATP gibi yüksek enerjili fosfat bileşikleridir ya da asetil-CoA gibi
tiyoesterlerdir:
10
Açil taşıyıcı protein, protein sentezinde görevli amino asit esterleri, S-adenozil metiyonin
(SAM), üridin difosfat glukoz (UDPGlc) ve 5-fosforibozil-1-pirofosfat (PRPP) da biyolojik
önemi olan yüksek enerjili bileşikler arasında yer alırlar.
Yüksek derecede negatif (−) hidroliz standart serbest enerjili bileşikler, reaktantlardan daha
stabil ürünler vermektedirler. Bunun nedeni şu şekilde açıklanabilir: 1) Reaktantlarda
elektrostatik itmenin neden olduğu bağ gerginliği, yük ayrılması vasıtasıyla giderilir. 2)
Ürünler, iyonizasyon vasıtasıyla stabilize edilirler. 3) Ürünler, izomerizasyon vasıtasıyla
stabilize edilirler. 4) Ürünler, rezonans vasıtasıyla stabilize edilirler.
Canlı organizmadaki fosfat bileşikleri, hidroliz standart serbest enerjilerine göre keyfi olarak
iki gruba ayrılabilirler: Hidroliz standart serbest enerjisi ∆Goi, −25kJ/mol’den daha çok
negatif olanlar yüksek enerjili fosfat bileşikleridirler; hidroliz standart serbest enerjisi ∆Goi,
−25kJ/mol’den daha az negatif olanlar düşük enerjili fosfat bileşikleridirler.
11
Art arda gelen reaksiyonların standart serbest enerji değişiklikleri toplanabildiğine göre;
herhangi bir fosfat bileşiğinin sentezi, daha fazla negatif hidroliz standart serbest enerji
değişikliğine sahip bir başka fosfat bileşiğinin yıkılmasına kenetlenme suretiyle başarılabilir.
Bu nedenle de fosfat bileşiklerinin yüksek ve düşük fosfat grubu transfer potansiyeline sahip
oldukları ifade edilir. Fosfoenolpiruvatın (PEP) fosfat grubu transfer potansiyeli çok
yüksektir; ATP’ninki yüksektir; glukoz-6-fosfatınki düşüktür:
ADP ve Pi’tan ATP oluşumu, fosforilasyon olayıdır ve endergonik bir reaksiyondur.
Mitokondride gerçekleşen oksidatif fosforilasyon için gerekli serbest enerji, solunum
zincirinde elektronların moleküler oksijene aktarılması sırasında sağlanmaktadır. Ayrıca
fosfat grubu transfer potansiyeli çok yüksek 1,3-bisfosfogliserat, fosfoenolpirüvat, kreatin
fosfat gibi bileşiklerin enerjisi, ATP oluşumu için kullanılabilir.
Canlı hücrelerde kimyasal, osmotik ve mekanik işin gerçekleşmesi endergondur; bunlar,
ancak ekzergon bir reaksiyonla kenetlenme suretiyle gerçekleşir. Bu kenetlenmede de bağlantı
faktörü ve biyolojik enerjinin moleküler taşıyıcısı ATP’dir:
12